JPH0653620B2 - グラファイトウイスカ強化セラミックスの成形方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はグラファイトウイスカ強化セラミックの成形方
法に関し、さらに詳しくは、破壊靱性の著しく改善され
たグラファイトウイスカ強化セラミックの成形方法に関
する。

［従来の技術およびその問題点］ 近年、ガスタービンやジットエンジン等の高性能化に対
する要求が大いに増加している。これらの熱機関の中で
最も過酷な条件下に使用されるブレードやノズル材とし
ての耐熱材料の開発に大きな期待が持たれている。

そこで、耐熱性に優れた素材としてセラミックが着目さ
れる。

セラミックは大きな耐熱性を備えているが、その破壊靱
性が極めて小さい。そのためにセラミックに繊維を充填
して強化する試みがなされている。

一般に、セラミックの破壊靱性は３〜５ＭＰａ・ｍ^1/2
程度であって、一般炭素鋼の２００ＭＰａ・ｍ^1/2に対
して極めて破壊靱性が小さい。

この小さな破壊靱性の主な原因は、セラミック中に存在
する微小クラックなどである。この微小クラックを除去
して、破壊靱性を高めるための成形加工法として、冷間
等方圧成形加工（ＣＩＰ）および熱間等方圧成形加工
（ＨＩＰ）などの静水圧成形加工、ホットプレス成形加
工等の種々の成形法がある。

しかしながら、セラミックの加圧成形には限界があり、
所望するような破壊靱性の改善が見られない。

それ故、セラミックの破壊靱性を高めるために無機質繊
維でセラミックを強化する試みがなされてきた。

一般に無機質繊維強化の特長は、ピンニング（クラック
の成長阻止）、クラックデフレクション（クラック屈曲
の促進）、およびプルアウト（繊維の引抜き）による破
壊阻止または破壊エネルギーの増大にあるとされてい
る。

しかし、ホットプレスなどよりも格段に成形圧が高く、
そのために圧縮率が特に大きい静水圧成形では、加圧成
形時の繊維に屈曲による残留応力がより重大になり、端
に繊維による補強効果が少ないと言うだけではなく、圧
力を解除した途端に残留応力のために形態が崩れて、成
形自体が困難な場合もあった。

したがって、本発明の目的は、成形時の残留応力歪を最
小限に抑えること、およびセラミックの成形として簡便
かつ有効な静水圧成形、常圧焼結のプロセスをグラファ
イトウイスカ強化セラミックにおいても可能にすること
である。

［前記目的を達成するための手段］ 前記目的を達成するための本発明の構成は、平均アスペ
クト比が３０以下であるグラファイトウイスカと、この
グラファイトウイスカの平均直径の２／３以下である平
均直径を有するセラミックス粉末との混合物を静水圧成
形することを特徴とするグラファイトウイスカ強化セラ
ミックの成形方法である。

本発明におけるグラファイトウイスカは単結晶状のもの
の外、気相法成長法（基板法および流動法その他の方法
を含む。）により製造されたウイスカ状炭素を含む。ま
た、そのウイスカ状炭素を黒鉛化処理して、炭素格子面
が年輪状に繊維軸方向に配列してなる黒鉛化炭素繊維
も、本発明におけるグラガイトウイスカに含まれる。

本発明における前記グラファイトウイスカはその平均ア
スペクト比が３０以下、好ましくは５〜１５である。

このような低いアスペクト比が好ましい理由は、成形時
に繊維が曲がり難くなって成形後の残留歪みが小さくな
ると考えられる。

本発明におけるグラファイトウイスカのアスペクト比を
前記範囲内に調製するためには、たとえば、公知の粉砕
手段たとえば、ジョークラッシャー、ジャイレトリクラ
ッシャー、ロールクラッシャー、エッジランナー、ハン
マークラッシャー、ボウルミル、ジェットミル、ディス
クミル等の粉砕機を採用することができる。いずれの粉
砕機を使用するかは、粉砕前のグラファイトウイスカの
直径および長さなど、その特性による。

さらに、本発明におけるセラミックの粉径分布は、通
常、変動係数（ＣＶ）で４０％以下、好ましくは２０％
以下である。

そして、本発明で重要なことは、そのセラミックの平均
粒径は、前記グラファイトウイスカの平均直径の２／３
以下、好ましくは前記グラファイトウイスカの平均直径
の１／２以下である。これは、繊維間への粒子の流れ込
みまたはマトリックス内での繊維の移動を容易にするこ
とによって成形時の繊維の歪みを小さくし、成形後の残
留応力を小さくすることに有効であるためとも考えられ
る。

また、前記グラファイトウイスカのアスペクト比が３０
を超えるか、または前記セラミックの平均直径が前記２
／３を超えると、ＨＩＰやホットプレス等により高圧で
焼結する場合にグラファイトウイスカの変形による残留
応力が多大となって、グラファイトウイスカ強化セラミ
ックの破壊靱性を高めることができない。また、ＣＩＰ
で一旦成形する場合には、圧力降下時に変形が回復し、
成形体がヒビ割れたり、くずれたりし、場合によっては
ＨＩＰでも同様のことが生じる。。

前記セラミックとして、たとえば、アルミナ、酸化ケイ
素、酸化ジルコン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化チ
タン、酸化鉄、酸化タリウム、フェライト、希土類鉄ガ
ーネット、酸化タングステン、酸化テルルなどの酸化
物、硫化亜鉛、インジウム−アンチモン、硫化モリブデ
ンなどのカルコゲン化物、窒化チタン、窒化タリウム、
窒化アルミニウム、窒化ニオブ、窒化ケイ素等の窒化
物、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化ジルコン等の炭化物
を挙げることができる。

前記各種のセラミックはその一種単独を使用することも
できるし、またそれらの二種以上を併用することもでき
る。

前記各種のセラミックの中でも好ましいのは、炭化ケイ
素、窒化ケイ素、アルミナ、二酸化ケイ素、および二酸
化ジルコニウムよりなる群から選択される少なくとも一
種である。

本発明においては、前記グラファイトウイスカ(A)と前
記セラミック(B)とを混合してからその混合物を冷間等
方圧成形加工および熱間等方圧成形加工などの静水圧成
形に供する。

混合割合としては、通常、(A)／(B)（重量比）を０．０
５〜０．４０、好ましくは０．１０〜０．３０にする。

混合割合の(A)／(B)が前記範囲を下回ると、グラファイ
トウイスカ強化の意味が失われ、前記範囲を上回るとセ
ラミック内部に欠陥ができ易いので好ましくない。

前記グラファイトウイスカと前記セラミックとの混合方
法としては、従来から公知の混合方法ないし混合手段を
採用することができる。

混合手段としては、たとえば、二重用錐型、Ｖ型、水平
円筒型、二重円錐型、リボン型、垂直スクリュウ型、回
分式ミュラー型、連続式ミュウラー型、熱交換型、単軸
ロータ型、タービン型等の混合機を使用することができ
る。

もっとも、混合に際して、グラファイトウイスカが破断
するようであれば、混合操作後のアスペクト比が本発明
で規定する値となるように、混合前のグラファイトウイ
スカのアスペクト比を適宜に調製するか大き目のアスペ
クト比のグラファイトウイスカを選択しておくのが良
い。

なお、本発明において、焼結助剤、バインダー等につい
て特に制限がないことは言うまでもない。

かくして、本発明における混合物は、前記加圧成形法に
より、高温熱交換機、原子炉、ＭＨＤ発電等に利用され
る種々の成形体に成形される。

［実施例］ 以下、本発明を実施例を示して本発明をさらに詳細に説
明する。

（実施例１） 平均直径０．３μｍ、平均アスペクト比１５のグラファ
イトウイスカ２５Ｖ_ｆ％（体積率）、平均直径０．２μ
ｍのＳｉ_３Ｎ_４粉末６７．５Ｖ_ｆ％、平均直径１．０μ
ｍのＹ_２Ｏ_３７．５Ｖ_ｆ％の粉末をアルコールに懸濁
し、Ｖ型ミキサーで２０時間混合した後、乾燥した。該
セラミック混合物を内径２２ｍφ、長さ２００mmのゴム
型に充填、密封し、冷間等方圧（ＣＩＰ）で４トン／cm
²の等方圧を５分間加えた。その後、減圧し、ゴム型か
ら成形体を取り出したが、クラックは検出されなかっ
た。

また、得られた成形体を、１，７５０℃に加熱しなが
ら、窒素雰囲気下で常圧焼結を行なった。前記焼結体の
密度を測定したところ、ほぼ理論密度であった。

（比較例１） 平均直径0.4μｍ、平均アスペクト比５０のグラファイ
トウイスカを使用した以外は実施例１と同様の方法で成
形した。得られた成形体には非常に多くのひび割れが検
出された。

（比較例２） Ｓｉ_３Ｎ_４の平均直径を０．５μｍとした外は前記比較
例１と同様の方法で成形を行った。型から取り出された
材料は崩れ易くて、型により形成されるはずの形態を維
持することができなかった。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平均アスペクト比が３０以下であるグラフ
   ァイトウイスカと、このグラファイトウイスカの平均直
   径の２／３以下である平均直径を有するセラミックス粉
   末との混合物を静水圧成形することを特徴とするグラフ
   ァイトウイスカ強化セラミックの成形方法。
2. 【請求項２】前記セラミックス粉末が、炭化ケイ素、窒
   化ケイ素、アルミナ、二酸化ケイ素、および二酸化ジル
   コニウムよりなる群から選択される少なくとも一種であ
   る前記特許請求の範囲第１項記載のグラファイトウイス
   カ強化セラミックの成形方法。